具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明实施例中，率定平台为深部原位保真取芯“五保”能力率定平台的简称，模拟舱为深部原位高温高压环境模拟舱的简称。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种用于率定平台的压力整体控制系统，包括主控计算机1、位于模拟舱试样底部的底部油缸2以及分别与所述主控计算机1连接的渗透压控制模块、孔隙压力控制模块和围压控制模块；所述底部油缸1内设置有第一高压伺服推力油源；主控计算机1，用于分别向渗透压控制模块、孔隙压力控制模块和围压控制模块发送交替运行指令，并根据所述指令监测得到模拟舱的渗透压信息、孔隙压力信息以及围压信息；渗透压控制模块，用于根据主控计算机1发送的指令监测模拟舱的渗透压信息；围压控制模块，用于根据主控计算机1发送的指令监测模拟舱的围压信息，且所述围压控制模块位于模拟舱的试样上部；所述孔隙压力控制模块，用于根据主控计算机1发送的指令监测模拟舱孔隙压力信息；所述底部油缸2，用于为围压控制模块提供推力。

本实施例中，渗透压控制模块包括第一流量控制器3、第一隔离器4和第一PLC控制器5；所述第一流量控制器3通过第一PLC控制器5与主控计算机1连接，所述第一隔离器4与第一流量控制器3连接；所述第一流量控制器3和第一隔离器4的进出口均设置有第一液控单向阀6和第一压力监测单元7；所述第一隔离器4的出口处设置有第一泥沙过滤单元8和冷却控制单元9；所述冷却控制单元9处设置有温度采集模块29，所述主控计算机1、第一流量控制器3、第一隔离器4、第一PLC控制器5、第一液控单向阀6和第一压力监测单元7为闭环控制。

本实施例中，孔隙压力控制模块包括第二流量控制器10、第二隔离器11、第二PLC控制器12、第一储能器25以及位于第二隔离器11出口处的第二泥沙过滤单元26；所述第二流量控制器10通过第二PLC控制器12与主控计算机1连接，所述第二隔离器11与第二流量控制器10连接；所述第二流量控制器10和第二隔离器11的进出口均设置有第二液控单向阀13和第二压力监测单元14；所述主控计算机1、第二流量控制器10、第二PLC控制器12、第二隔离器11、第二液控单向阀13和第二压力监测单元14为闭环控制。

本实施例中，如图2所示，围压控制模块包括第三PLC控制器27和液压泵15，所述液压泵15与外部油箱连接，且连接至电磁换向阀16中第一管路的一端P和溢流阀17的输入端，所述溢流阀17的输出端连接至油箱，所述电磁换向阀16中第一管路的另一端A分别与第三液控单向阀18的进液口、增压器换向阀19的管路一端和第四液控单向阀20的进液口连接，所述第四液控单向阀20的出液口连接至底部油缸2，所述第四液控单向阀20与底部油缸2的连接管路上设置有第二蓄能器21和压力测量仪22，所述第三液控单向阀18的出液口分别与第五液控单向阀23的进液口和增压缸28的顶部连接，所述增压缸28的底部与增压器换向阀19的管路另一端连接，所述增压缸28的中部连接至增压器换向阀19的阀芯和第六液控单向阀24的进液口，所述第六液控单向阀24的出液口与电磁换向阀16中第二管路的一端B连接，所述电磁换向阀16中第二管路的另一端T连接至外部油箱，所述第五液控单向阀23的出液口连接至底部油缸2，所述第三PLC控制器27与主控计算机1连接，所述第三PLC控制器27分别与主控计算机1、液压泵15、电磁换向阀16以及增压器换向阀19连接。

本实施例中，第一流量控制器3和第二流量控制器10的结构相同，均包括第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源，所述第一液控单向阀6、第一压力监测单元7、第二液控单向阀13和第二压力监测单元14均分别位于所述第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源的进出口处，且所述第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源均分别与第一隔离器4和第二隔离器11连接。

本实施例中，如图3-图4所示，所述温度采集模块29包括温度传感电路、与所述温度传感电路连接的放大电路以及与所述放大电路连接的控制电路，所述控制电路通过USB与主控计算机1连接。所述温度传感电路采用型号为Pt100铂电阻的传感芯片U1，所述芯片U1的第1引脚与第2引脚分别与所述放大电路连接，所述芯片U1的第3引脚接地；所述放大电路包括运算放大芯片U2，所述芯片U1的同相输入端分别与接地电阻R1以及电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与所述芯片U1的第1引脚连接，所述芯片U2的反相输入端分别与电阻R4的一端以及电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与所述芯片U1的第2引脚连接，所述电阻R4的另一端分别与所述芯片U2的输出端以及电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端作为所述芯片U2的输出端，并与控制电路的I/O引脚连接，所述芯片U2的接地端接地，所述芯片U2的第1引脚分别与电源以及接地电容C1连接。

本实施例中，利用温度采集模块29采集经冷却控制单元9冷却后的液体温度，以确保排出液体的温度低于预设的温度值。

本实施例中，采用基于ARM Core-M4内核的STM32F407ZGT6作为控制器的主控芯片，采用PT100铂电阻温度传感器，通过放大电路组合获取孔隙管道内的温度的模拟电压值，并将其模拟电压值传送给控制器的I/O引脚，由控制器读取出模拟电压均值，并通过USB接口或RS485总线传送至计算机，以此实现对孔隙温度的控制。

本实施例中，所述控制器电路的型号采用型号为STM32F407ZGT6的单片机，其电路结构均属于现有技术，本领域技术人员基本电子电路的基本常识和本实施例所阐述的内容可自行配置，此处不再赘述。

本实施例中，Pt100铂电阻温度传感器可以消除自身电阻导致的误差，保证在高温的环境性能趋于稳定。当Pt100铂电阻温度传感器被放置的高环境温度时，其所置环境温度变化与电阻阻值接近线性的关系，本实施例中Pt100铂电阻温度传感器选用三线制接法，三线制中的第三条引线对引线自身电阻导致的精度误差进行了补偿。

本实施例中，如图5-图6所示，第一压力监测单元7、第二压力监测单元14和压力测量仪22的结构相同，均包括压力传感器U4、AD转换模块、单片机模块、显示模块和无线通信模块；所述压力传感器与AD转换模块连接，所述单片机模块分别与AD转换模块、显示模块和无线通信模块连接；所述压力传感器与AD转换模块连接，所述单片机模块分别与AD转换模块、显示模块和无线通信模块连接；所述压力传感器U3所采用的型号为PTH702H，所述压力传感器U3的第1引脚与+24V电压连接；所述AD转换模块包括型号为TCL549CD的AD转换芯片U4，所述AD转换芯片U4的REF+引脚与其VCC引脚均与+5V电压连接，所述AD转换芯片U4的REF-引脚和GND引脚接地，所述AD转换芯片U4的ANLG IN引脚与压力传感器U3的第3引脚连接；所述单片机模块包括型号为AT89S51的单片机U5，所述单片机U5的XTAL1引脚分别与晶振X1的一端和接地电容C2连接，所述单片机U5的XTAL2引脚分别与晶振X1和接地电容C3连接，所述单片机U5的RST引脚分别与电阻R1的一端、接地电容C1和接地开关K1连接，所述电阻R1的另一端与+5V电压邻接，所述单片机U5的P1.0引脚与AD转换芯片U4的CLK引脚连接，所述单片机U5的P1.1引脚与AD转换芯片U4的DO引脚连接，所述单片机U5的P1.2引脚与AD转换芯片U4的CS引脚连接；显示模块包括型号为LM1602的显示屏LCD1，所述显示屏LCD1的VSS引脚与+5V电压连接，所述显示屏LCD1的VDD引脚接地，所述显示屏LCD1的VEE引脚与滑动电阻RV1的滑动端连接，所述滑动电阻RV1的第一不动端接地，所述滑动电阻RV1第二不动端与+5V电压连接，所述显示屏LCD1的RS引脚、RW引脚和E引脚与单片机U5的P2.0引脚、P2.1引脚和P2.2引脚一一对应连接，所述显示屏LCD1的D0至D7引脚分别与排阻RP1的第2引脚至第9引脚一一对应连接，所述排阻RP1的第2引脚至第9引脚分别与单片机U5的P0.0至P0.7引脚一一对应连接，所述排阻RP1的第1引脚与+5V电压连接；所述无线通信模块包括型号为NRF24L01+的无线通讯集成板U6，所述无线通讯集成板U6的CE引脚、CSN引脚、SCK引脚、MOSI引脚、MISO引脚、IRQ引脚分别与单片机U5的P3.0至P3.5一一对应连接，所述无线通讯集成板U6的VCC引脚与+3.3V电压连接，所述无线通讯集成板U6的GND引脚接地。

在本实施例中，压力传感器U4测量压力，得到模拟信号，模拟信号经过AD转换模块转换为数字信号，将数字信号传输至单片机模块进行处理，得到压力值，并将压力值通过显示屏显示以及通过无线通信模块传输至计算机设备。

本实施例中，本发明包括4个高精度无限流量推力水源(包含底部油缸)，额定压力140MPa，额定流量0-100ml/min无级调速，分辨度0.01Mpa，稳定精度±0.3％F·S，双水源交替使用达到自动无限量供水；3个PLC控制器，保证各加压油源可以单独控制且协同工作；泥沙过滤器能有效地保证舱体内部循环液体的杂质在一定的限度以下，以保证各个泵头的安全稳定工作，同时也保证了各高压管道的使用寿命。

本实施例中，压力传感器与液控阀，与计算机与PLC控制器相连，协同工作。

本实施例中，孔隙压力控制模块是利用一组超高压无限体积流量控制器(由两只超高压伺服推力油源组成，简称“油源”)计算机控制油源交替运行，推动一组超高压无限体积隔离器(用于油水转换，简称“隔离器”)。使隔离器交替运行，就能保持控制渗透水压力与流量连续不断输出。每一组油源或隔离器的进、出油(水)口，均配备独立的液控单向阀和闭环控制的压力、温度传感器，与计算机及PLC控制器共同组成一套大的闭环控制系统。实现每一组加压油源(或隔离器)可以单独控制，且相互协同工作。实现渗透水压的稳定、可靠、安全施加。

本实施例中，渗透压模块工作原理同上，也是一组“油源”交替运行，推动一组“隔离器”。由于在试样出口端，为防止流出液体混有泥沙配备有泥沙过滤装置，为防止泄出的高温液体气化增设了冷却控制装置，保证排出液体温度低于60度以下不至于产生气体，保证系统安全运行。

本实施例中，为保证试样内部上、下两端渗透水压压力均匀，验证渗透水压力是否平衡，应在渗透水入口施加一个适当的孔隙进水压力，在试样上部施加一小于进水压力的反压力后，保持一段时间，当渗透出口端反压力与试样底部进水孔隙压力基本相等时，即可认为试样内部各区域孔隙压力达到均匀。

本发明通过在管道内的安装压力传感器、泥沙过滤单元和冷却控制单元，在保证高压管道安全的同时，能有效地防止泄出高温液体气化，以及能有效地保证排出液体温度低于60度以下不产生气体，保证系统安全运行，为深部原位保真取芯模拟舱提供了可靠的温压控制系统，能够为深地原位岩体力学及深地相关学科的探索提供基础预研条件。

本实施例中，通过围压控制模块能够持续产生高压油，将高压油送入油缸以对岩样施加压力，模拟其地下高压的环境，实现了对岩样的围压测量。本发明在围压测量结束后，可将增压系统中存在的残留油液回流至外部油箱中。

本实施例中，整个系统是在一台主控计算机及多套PLC控制器与相对应的压力、流量和相对应的机械设备共同组成的一整套大闭环控制系统组成。系统由控制软件统一指挥，自动完成全系统的操作控制工作，安全控制系统在整个试验过程中，始终保证监控到位，准确防止安全事故发生。出现安全事故苗头能及时提前报警，提醒操作人员介入检查与进行安全方案操作，并在底部油缸处配置手动应急阀门，在紧急时刻可以手动关闭压力系统，确保设备与人员安全。

实施例2

如图7所示，本发明还提供了一种用于率定平台的压力整体控制方法，其实现方法如下：

S1、利用主控计算机向渗透压控制模块发送交替运行指令，监测模拟舱的渗透压信息，其实现方法如下：

S101、由主控计算机通过第一PLC控制器向第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源发出交替运行的指令；

S102、根据所述指令，利用第二超高压伺服推力油源或第三超高压伺服推力油源交替推动第一隔离器，同时分别开启位于第二超高压伺服推力油源、第三超高压伺服推力油源以及第一隔离器进口处的第一液控单向阀；

S103、利用泥沙过滤单元对第一隔离器出口处的液体进行过滤，以及利用冷却控制单元控制排出液体的温度低于预设的温度值，所述预设的温度值为60度；

S104、利用第一压力监测单元监测第二超高压伺服推力油源或第三超高压伺服推力油源进出口处的渗透压信息，同时监测第一隔离器在交替运行时的渗透压信息；

S105、将监测得到的渗透压信息发送至主控计算机；

S106、通过主控计算机向第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源发出停止交替运行的指令，并关闭第一液控单向阀，完成对模拟舱渗透压的监测；

S2、利用主控计算机向孔隙压力控制模块发送交替运行指令，监测模拟舱的孔隙压力信息，其实现方法如下：

S201、由主控计算机通过第二PLC控制器向第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源发出交替运行的指令；

S202、根据所述指令，利用第二超高压伺服推力油源或第三超高压伺服推力油源交替推动第二隔离器，同时分别开启位于第二超高压伺服推力油源、第三超高压伺服推力油源以及第二隔离器进口处的第二液控单向阀；

S203、利用第二压力监测单元监测第一超高压伺服推力油源或第二超高压伺服推力油源进出口处的孔隙压力信息，以及利用第二压力监测单元监测第二隔离器在交替运行时的孔隙压力信息，同时利用第二泥沙过滤装置对液体进行过滤；

S204、将监测得到的孔隙压力信息发送至主控计算机；

S205、通过主控计算机向第二超高压伺服推力油源和第三超高压伺服推力油源发出停止交替运行的指令，并关闭第二液控单向阀，完成对模拟舱孔隙压力的监测；

S3、利用主控计算机向围压控制模块发送交替运行指令，监测模拟舱的围压信息，其实现方法如下：

S301、将岩样放入至油缸中，由主控计算机通过第三PLC控制器发送运行指令，并根据所述指令，令电磁换向阀的导通方向为液压泵至第四液控单向阀以及增压器换向阀的初始导通方向为增压缸至电磁换向阀；

S302、通过第三PLC控制器控制液压泵工作，将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀，令油液依次经过通过第四液控单向阀、第二蓄能器和压力测量仪到达底部油缸；

S303、判断第四液控单向阀是否自动关闭，若是，则进入步骤S304，否则，继续判断直至第四液控单向阀自动关闭，并进入步骤S304；

S304、将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀，令油液通过第三液控单向阀进入达到增压缸中顶部活塞HP，并利用底部油缸中第一高压伺服推力油源产生的推力推动顶部活塞HP以及底部活塞LP直至增压缸的底部；

S305、通过油液带动增压器换向阀的阀芯向下运动至增压器换向阀换向，令油液从电磁换向阀达到增压缸底部，推动顶部活塞HP以及底部活塞LP向上运动，输出高压油；

S306、令高压油依次通过第五液控单向阀、第二蓄能器和压力测量仪到达油缸，并通过压力测量仪实时监测模拟舱的围压，其中，所述围压测量时，通过第二蓄能器蓄能，在压力测量仪测量压力小于设定阈值时，将第二蓄能器的能量释放以保障压力不会下降；所述围压测量结束后，关闭液压泵，令电磁换向阀的导通方向为第四液控单向阀至液压泵，第六液控单向阀导通，令系统中残余油液依次通过第六液控单向阀和电磁换向阀回流至外部油箱，完成对模拟舱围压信息的监测；

S4、将监测得到的渗透压信息、围压信息和孔隙压力信息发送至主控计算机；

S5、根据主控计算机发出的停止交替运行的指令，完成率定平台的压力整体控制。

本实施例中，主控计算机、PLC控制器、液控单向阀、压力监测单元为闭环控制。

本实施例中，第二超高压伺服推力油源、第三超高压伺服推力油源以及隔离器均可单独控制。

本实施例中，渗透压输入端由试样底部供给：是利用一组超高压无限体积流量控制器(由两只超高压伺服推力油源组成，简称“油源”)计算机控制油源交替运行，推动一组超高压无限体积隔离器(用于油水转换，简称“隔离器”)。使隔离器交替运行，就能保持控制渗透水压力与流量连续不断输出。每一组油源或隔离器的进、出油(水)口，均配备独立的液控单向阀和闭环控制的压力、温度传感器，与计算机及PLC控制器共同组成一套大的闭环控制系统。实现每一组加压油源(或隔离器)可以单独控制，且相互协同工作。实现渗透水压的稳定、可靠、安全施加。

本实施例中，渗透水压力出口端在试样上部控制：工作原理同上，也是一组“油源”交替运行，推动一组“隔离器”。由于在试样出口端，为防止流出液体混有泥沙配备有泥沙过滤装置，为防止泄出的高温液体气化增设了冷却控制装置，保证排出液体温度低于60度以下不至于产生气体，保证系统安全运行。

本实施例中，为保证试样内部上、下两端渗透水压压力均匀，验证渗透水压力是否平衡，应在渗透水入口(试样底部)施加一个适当的孔隙进水压力，在试样上部施加一小于进水压力的反压力后，保持一段时间，当渗透出口端(试样顶部)反压力与试样底部进水孔隙压力基本相等时，即可认为试样内部各区域孔隙压力达到均匀。

本发明通过在管道内的安装压力传感器、泥沙过滤单元和冷却控制单元，在保证高压管道安全的同时，能有效地防止泄出高温液体气化，以及能有效地保证排出液体温度低于60度以下不产生气体，保证系统安全运行，为模拟舱提供了可靠的温压控制系统，能够为深地原位岩体力学及深地相关学科的探索提供基础预研条件。

本实施例中，通过围压控制模块能够持续产生高压油，将高压油送入油缸以对岩样施加压力，模拟其地下高压的环境，实现了对岩样的围压测量。本发明在围压测量结束后，可将增压系统中存在的残留油液回流至外部油箱中。

本实施例中，整个方法是在一台主控计算机及多套PLC控制器与相对应的压力、流量和相对应的机械设备共同组成的一整套大闭环控制系统组成。系统由控制软件统一指挥，自动完成全系统的操作控制工作，安全控制系统在整个试验过程中，始终保证监控到位，准确防止安全事故发生，出现安全事故苗头能及时提前报警，提醒操作人员介入检查与进行安全方案操作，并在底部油缸处配置手动应急阀门，在紧急时刻可以手动关闭压力系统，确保设备与人员安全。